基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及超快太赫茲【技術領域】。為提出一種結構簡單，能夠明顯提高THz波的產生效率，獲得高功率THz波的THz發(fā)生器，本發(fā)明采取的技術方案是，基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，包括：高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出功率的極少部分激光注入泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元；高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出功率的主要部分激光經過等強度分束器后，再經過波面傾斜器，分別垂直入射到單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的兩個入射面；鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的形狀為等腰梯形，晶體THz發(fā)生器的兩個入射面即為兩個等腰梯形面，而THz波的發(fā)射面為晶體的長底面。本發(fā)明主要應用于超快太赫茲場合。
【專利說明】基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超快太赫茲【技術領域】。特別涉及一種基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器。
技術背景
[0002]太赫茲波(THz，ITHz=IO12Hz)通常是指頻率在0.1THz-1OTHz范圍內的電磁波，在電磁波譜上介于遠紅外光波與微波之間。相比與其他波段的電磁波，THz波有其獨特的優(yōu)勢:宇宙背景輻射、許多有機大分子，特別是生物大分子的轉動能級以及振動能級位于THz波段。超快THz脈沖因其瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等優(yōu)點，在成像、無損探測、安檢、物化分析等領域展現(xiàn)了良好的應用前景[1-3]。從實用化角度看，一臺結構緊湊，穩(wěn)定性好的高功率THz波輻射源是首要需求。
[0003]產生THz波的方法主要分為電子學方法和光學方法兩大類。近年來，隨著飛秒泵浦源輸出功率的提高，基于光學整流[4]、光電導天線[5]、空氣等離子[6]等光學方法的超快寬帶THz波輻射源的輸出功率已經得到大幅度的提高。Blanchard等人[7]使用鈦寶石飛秒激光放大系統(tǒng)抽運大孔徑ZnTe晶體，得到了重復頻率100Hz，單脈沖能量高達1.5μ J的THz脈沖輸出J.A.Ftil0p等人[8]利用鈦寶石飛秒激光放大系統(tǒng)抽運LiNbO3晶體，并結合波面傾斜技術[9]，[10]，在IOHz重復頻率下，獲得THz單脈沖能量高達125 μ J。然而，基于鈦寶石飛秒激光放大系統(tǒng)的超快THz源以其復雜和龐大很難走出實驗室；此外該類THz源的低重復率特性也限制了其在某些方面的實際應用。隨著高功率光纖激光器的出現(xiàn)，一些高重復頻率的寬帶THz源也相繼出現(xiàn):M.C.Hoffmann等人[11]基于波面傾斜技術，使用重復頻率IMHz的摻鐿光纖放大器抽運LiNbO3晶體，輸出THz脈沖平均功率高達0.25mff ；我們實驗室[12]使用光子晶體光纖放大系統(tǒng)抽運GaP晶體，在更高的42MHz重復頻率條件下，得到了 0.3mff的寬帶THz波輸出。
[0004]采用高平均功率的光纖飛秒激光作為激發(fā)源，能產生百微瓦量級的THz波，但是系統(tǒng)的總體效率仍然很低。因此設法提高光學整流法中THz波的產生效率是關鍵。
[0005]參考文獻:
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【發(fā)明內容】

[0018]為克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器。該THz發(fā)生器結構簡單，能夠明顯提高THz波的產生效率，獲得高功率THz波。為此，本發(fā)明采取的技術方案是，基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，包括:高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出功率的極少部分激光注入泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元；高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出功率的主要部分激光經過等強度分束器后，再經過波面傾斜器，分別垂直入射到單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的兩個入射面；鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的形狀為等腰梯形，晶體THz發(fā)生器的兩個入射面即為兩個等腰梯形面，而THz波的發(fā)射面為晶體的長底面；沿垂直晶體兩個梯形面雙向入射的兩束泵浦光都滿足波面傾斜的相位匹配條件；泵浦光到達晶體的發(fā)射面后，泵浦光在晶體的長底邊上全內反射，出射晶體后進入泵浦光復用腔；泵浦光復用腔由單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器和兩個離軸拋物或者球面反射負色散補償鏡按照等腰三角形放置，兩個離軸拋物或者球面反射負色散補償鏡共焦放置，二者的共焦點位于鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面即長底面之內；兩個離軸拋物或者球面反射負色散補償鏡構成的平面為泵浦光復用腔平面，且與鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面垂直，由雙向直接泵浦光構成的平面為泵浦光入射平面，它與泵浦光復用腔平面之間存在一個小夾角用以保證泵浦光直接入射到晶體，并經過反射后導入泵浦光復用腔；為了保證復用的剩余泵浦光與直接泵浦光滿足時間上匹配，泵浦光復用腔通過復用腔的腔長調節(jié)單元調節(jié)腔長，泵浦光復用腔的腔長調節(jié)單元的指令信息來自泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元。[0019]上述的分束器為偏振分束器。
[0020]上述的波面傾斜器由800-1600線/mm的透射式光柵對、二分之一波片和柱透鏡構成，入射光經波片使偏振方向與光柵刻線平行，兩光柵平行放置，間距在O-1Omm范圍內連續(xù)可調，通過光柵對后的脈沖經過柱透鏡聚焦到THz發(fā)射器。
[0021]鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器由單塊等腰梯形的鈮酸鋰晶體構成，晶體z軸垂直χ-y平面，梯形平面在x-y平面內；晶體THz發(fā)生器的兩個兩個等腰梯形面為泵浦光的入射面，而THz波的發(fā)射面為晶體的長底面；兩個泵浦入射面按照滿足波面傾斜條件的入射角切割，鍍有對泵浦光的增透膜。
[0022]上述的泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元由快響應光電二極管、頻譜分析儀和計算機構成，極少部分激光注入泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元的快響應激光二極管，其測得的泵浦激光脈沖的重復頻率作為控制單元的參考信號。
[0023]上述的復用腔的腔長調節(jié)單元由長程機械導軌和微機控制的精密定位微位移平臺和背向反射鏡組件構成。
[0024]與已有技術相比,本發(fā)明的技術特點與效果:
[0025](I)基于單塊鈮酸鋰晶體THz波發(fā)射器的特殊設計，用單塊晶體實現(xiàn)波面傾斜的雙向泵浦，使THz波輸出功率至少提高一倍；(2)利用單塊晶體的THz波輸出面對泵浦光的全內反射，以及兩個離軸拋物(或者球面)反射負色散補償鏡構成簡單的等腰三角形的“三鏡”環(huán)形腔結構的泵浦光復用腔，其中兩個離軸拋物(或者球面)反射負色散補償鏡為共焦放置，二者的共焦點位于鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面(長底面)之內，可同時完成對剩余泵浦光的色散補償、準直和聚焦；該腔型在兩個球面反射負色散補償鏡之間形成平行光，便于插入延遲線，并自動維持雙向復用泵浦光的時間延遲；通過對剩余泵浦光的多重復用，提高了泵浦光的利用率，進一步提升了 THz波的轉換效率；(3)將“泵浦光復用腔”與雙向直接泵浦設計的單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)生器相結合，保持直接泵浦光與剩余復用泵浦光在時空上的匹配，使整個系統(tǒng)的THz出射效率成倍提升；(4)波面傾斜采用透射光柵對，提高了效率，減小了體積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的結構框圖。
[0027]圖中:1高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)；2等強度分束器；3波面傾斜器；4鈮酸鋰波面傾斜THz發(fā)射器；5泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元；6泵浦光復用腔的腔長調節(jié)單元；7泵浦光復用腔。
[0028]圖2為泵浦光復用腔的結構示意圖。
[0029]圖中:7-1、7_2為兩個離軸拋物(或者球面)反射負色散補償鏡；6_1為精密微位移平臺驅動器，6-2、6-3為直角-屋脊反射鏡組；4為單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器。
[0030]圖3為圖1和圖2中4為單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器結構，以及直接泵浦方向和幾何取向示意圖。
[0031]圖4為圖2中的單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面與泵浦光復用腔平面(圖2為其俯視圖)和直接泵浦光平面?zhèn)纫曣P系上存在的一個小夾角(相當于圖中的側視圖)【具體實施方式】
[0032]本發(fā)明是通過下述技術方案實現(xiàn)的，一種基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，如圖1，該高功率THz發(fā)生器包括:高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)1，其輸出功率的極少部分激光注入泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元5的快響應激光二極管，它測量的泵浦激光脈沖的重復頻率作為控制單元的參考信號；高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出功率的主要部分激光經過等強度分束器2后，再經過波面傾斜器3，分別垂直入射到單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器4的兩個入射面；該鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的形狀設計成等腰梯形，晶體z軸垂直紙面，坐標系如圖3所示，晶體THz發(fā)生器的兩個等腰梯形面為泵浦光入射面，而THz波的發(fā)射面為晶體的長底面(圖3中箭頭發(fā)出面);沿垂直晶體兩個梯形面雙向入射的泵浦光到達晶體的發(fā)射面后，經在晶體的長底邊上全內反射的剩余泵浦光進入泵浦光復用腔7 ;泵浦光復用腔7由單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器4和兩個離軸拋物(或球面)反射負色散補償鏡按照等腰三角形放置，兩個離軸拋物(或球面)反射負色散補償鏡共焦放置，這樣兩者之間為平行光，二者的共焦點位于鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面(長底面)之內；“泵浦光復用腔平面”與鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面(長底面)垂直，圖2為其俯視圖；為了使得經晶體發(fā)射面全內反射的剩余泵浦光導入到泵浦光復用腔，“泵浦光入射平面”與“泵浦光復用腔平面”之間存在一個小夾角(即“泵浦光入射平面”不是垂直于THz波的發(fā)射面)，如圖4所示，這樣就保證了泵浦光可以直接入射到晶體，并經過反射后導入泵浦光復用腔；為了保證復用的剩余泵浦光與直接泵浦光滿足時間上匹配，泵浦光復用腔7通過復用腔的腔長調節(jié)單元6調節(jié)腔長(見圖2中6)，泵浦光復用腔的腔長調節(jié)單元6的指令信息來自泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元5。其特征在于:
[0033]上述的光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)I的工作波長1.03-1.05 μ m,脈沖重復頻率30-60MHz，平均輸出功率10-60W。
[0034]上述的分束器2為偏振棱鏡分束器。
[0035]上述的波面傾斜器3由800-1600線/mm的透射式光柵對、二分之一波片和柱透鏡構成，入射光經波片使偏振方向與光柵刻線平行，兩光柵平行放置，間距在O-1Omm范圍內連續(xù)可調，通過光柵對后的脈沖經過柱透鏡聚焦到THz發(fā)射器4的兩個等邊梯形面。
[0036]上述的THz發(fā)射器4由單塊鈮酸鋰晶體按照等邊梯形設計，晶體z軸垂直紙面，兩個梯形面(泵浦入射面)按照滿足波面傾斜條件的入射角切割，鍍有對泵浦光的增透膜。
[0037]上述的泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元5由快響應光電二極管、頻譜分析儀和計算機構成。
[0038]上述的復用腔的腔長調節(jié)單元6由長程機械延遲線(導軌)和微機控制的精密定位微位移平臺和背向反射鏡組件構成(圖2中6)。
[0039]上述的泵浦光復用腔7由泵浦光復用腔由單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器4和兩個離軸拋物(或者球面)反射負色散補償鏡按照等腰三角形放置，其中兩個離軸拋物(或者球面)反射負色散補償鏡共焦放置，這樣兩者之間為平行光，二者的共焦點位于鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面(長底面)之內；為了使得經晶體發(fā)射面全內反射的泵浦光導入到泵浦光復用腔，由雙向直接泵浦光構成的平面稱為“泵浦光入射平面”，它與泵浦光復用腔平面(兩個離軸拋物面反射負色散補償鏡平面)之間存在一個小夾角，如圖4所示，這樣就保證了泵浦光可以直接入射到晶體，并經過反射后導入泵浦光復用腔。[0040]上述的離軸拋物反射負色散補償鏡7-1、7_2，口徑為I英寸，離軸角度為20-30° ；或者為球面反射負色散補償鏡，口徑為I英寸，曲率半徑600-1000mm。
[0041]下面結合附圖對本發(fā)明加以詳細說明。
[0042]在圖1中，光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)1，工作波長1.03-1.05μπι，脈沖重復頻率30-60ΜΗΖ，平均輸出功率10-60W。其中只將約1%的輸出激光注入泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元5中的快響應激光二極管，它測量的泵浦激光脈沖的重復頻率作為控制單元的參考信號；另外由I輸出的約99%激光功率再經過等強度分束器2分成等光強兩束光，2為偏振棱鏡分束器。這兩束光分別經過波面傾斜器3，3由800-1600線/_的透射式光柵對、二分之一波片和柱透鏡構成；調整二分之一波片使得入射光偏振方向與光柵刻線平行，且與晶體的ζ軸平行；兩透射光柵平行放置，間距在O-1Omm范圍內連續(xù)可調，調整光柵對間隔使得光束擴展和泵浦光的波陣面傾斜，并滿足在單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器4中，保持泵浦光的群速度等于產生THz波的相速度的匹配要求；通過光柵對后的兩束脈沖再分別用柱透鏡沿光柵刻線方向進行聚焦，提高泵浦光的功率密度；雙向泵浦光入射是分別垂直于單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器4的兩個等腰梯形面(晶體的泵浦入射面)上。
[0043]4由單塊鈮酸鋰晶體構成，設計為等腰梯形的，晶體ζ軸垂直紙面，坐標系如圖3所不；其梯形底邊長11mm，上下底邊間隔(梯形聞度)為5mm,晶體厚度也是5mm ;晶體的兩個等腰梯形面(泵浦入射端面)與梯形底面的夾角為Θ，按照保證泵浦光的波陣面在晶體內傳輸時的波陣面始終與產生的THz的波前平行和同步，即相位匹配條件；同時要保證泵浦光入射到在晶體THz發(fā)生器的出射面(圖3中晶體的長底面，即THz箭頭的發(fā)出面)處的入射角滿足全內反射條件；根據(jù)選用晶體在泵浦光1.04 μ m和THz波段的折射率計算，滿足該相位匹配條件的Θ角為64°，該角度同時也滿足全內反射條件。為減少損耗，晶體的入射端面鍍有對泵浦光的增透膜。沿晶體兩個梯形面垂直入射的雙向剩余泵浦光經在晶體長底邊上經全內反射進入泵浦光復用腔7。
[0044]7由單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器4和兩個離軸拋物(或者球面)反射負色散補償鏡7-1、7-2按照等腰三角形放置，其中兩個離軸拋物(或者球面)反射負色散補償鏡共焦放置，這樣兩者之間為平行光，方便加入延遲線(圖2中的6) ;二者的共焦點位于鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面(長底面)之內(見圖2);上述的離軸拋物反射負色散補償鏡7-1、7-2，口徑為I英寸，根據(jù)晶體入射面的設計角度，其離軸角度選為26°，焦距為500-1000m;或者為球面反射負色散補償鏡，口徑為I英寸，曲率半徑1000-2000mm ;該鏡為寬帶啁啾鏡，帶寬在1030-1070nm，用以補償泵浦光經過晶體后引入的色散；復用泵浦光在泵浦復用腔中被7-1、7-2會聚、準直和色散補償。為了保證泵浦光可以直接入射到晶體的梯形面，并使得經晶體發(fā)射面全內反射的剩余泵浦光導入到泵浦光復用腔，需要“泵浦光入射平面”與“泵浦光復用腔平面”之間存在一個小夾角2 α，這里α=1°，如圖4所示(相對于圖2中入射晶體部分的側視圖)。泵浦光復用腔的對稱“三鏡腔”結構，使得在相對方向上的復用泵浦光在腔內循壞時自動保持時間同步，實現(xiàn)了相干疊加。
[0045]盡管上述結構使得直接泵浦與復用泵浦在THz發(fā)射器的THz出射面上滿足空間上自動重合，但是若實現(xiàn)復用泵浦光與直接泵浦光之間的相干疊加，還必須嚴格控制復用腔的循環(huán)時間與泵浦光的脈沖周期相匹配，即使復用泵浦脈沖與直接泵浦脈沖在時間上保持同步。該任務由圖1中的復用腔腔長調節(jié)單元6實現(xiàn)。[0046]上述的6由長程機械延遲線(導軌)和微機控制的精密定位微位移平臺和背向反射鏡組件構成。其中的長程機械延遲線由4組裝在導軌上的、間隔50cm內可調的直角-屋脊反射鏡對(見圖6-2、6-3)串聯(lián)構成，通過手動調節(jié)可實現(xiàn)0.5-2m的光程變化，對應時間延遲改變約為2-7ns ;精密同步是由微機控制的精密定位微位移平臺延遲線自動實現(xiàn)的，其控制指令來自圖1中的泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元5。
[0047]上述的5由快響應光電二極管、頻譜分析儀和計算機構成。自泵浦源取1%的輸出光入射到快響應光電二極管，獲取的脈沖重復頻率的電脈沖信號作為腔長匹配控制單元參考信號，與快響應光電二極管探測的剩余泵浦光在復用腔循環(huán)一次的脈沖信號一起輸入頻譜分析儀，取得復用腔失諧的比較信號，再由計算機輸出對復用腔的校準信號，將校準信號輸入復用腔的腔長調節(jié)單元6，控制精密微位移平臺6-1移動直角反射鏡6-2，調整復用腔的腔長，以維持復用腔腔長與泵浦光脈沖周期的匹配條件。
【權利要求】
1.一種基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，其特征是，包括:高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出功率的極少部分激光注入泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元；高功率光子晶體光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出功率的主要部分激光經過等強度分束器后，再經過波面傾斜器，分別垂直入射到單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的兩個入射面；鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的形狀為等腰梯形，晶體THz發(fā)生器的兩個入射面即為兩個等腰梯形面，而THz波的發(fā)射面為晶體的長底面；沿垂直晶體兩個梯形面雙向入射的兩束泵浦光都滿足波面傾斜的相位匹配條件；泵浦光到達晶體的發(fā)射面后，泵浦光在晶體的長底邊上全內反射，出射晶體后進入泵浦光復用腔；泵浦光復用腔由單塊鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器和兩個離軸拋物或者球面反射負色散補償鏡按照等腰三角形放置，兩個離軸拋物或者球面反射負色散補償鏡共焦放置，二者的共焦點位于鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面即長底面之內；兩個離軸拋物或者球面反射負色散補償鏡構成的平面為泵浦光復用腔平面，且與鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器的出射面垂直，由雙向直接泵浦光構成的平面為泵浦光入射平面，它與泵浦光復用腔平面之間存在一個小夾角用以保證泵浦光直接入射到晶體，并經過反射后導入泵浦光復用腔；為了保證復用的剩余泵浦光與直接泵浦光滿足時間上匹配，泵浦光復用腔通過復用腔的腔長調節(jié)單元調節(jié)腔長，泵浦光復用腔的腔長調節(jié)單元的指令信息來自泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元。
2.如權利要求1所述的基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，其特征是，上述的分束器為偏振分束器。
3.如權利要求1所述的基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，其特征是，上述的波面傾斜器由800-1600線/_的透射式光柵對、二分之一波片和柱透鏡構成，入射光經波片使偏振方向與光柵刻線平行，兩光柵平行放置，間距在O-1Omm范圍內連續(xù)可調，通過光柵對后的脈沖經過柱透鏡聚焦到THz發(fā)射器。
4.如權利要求1所述的基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，其特征是，鈮酸鋰晶體THz發(fā)射器由單塊等腰梯形的鈮酸鋰晶體構成，晶體z軸垂直χ-y平面，梯形平面在x_y平面內；晶體THz發(fā)生器的兩個兩個等腰梯形面為泵浦光的入射面，而THz波的發(fā)射面為晶體的長底面；兩個泵浦入射面按照滿足波面傾斜條件的入射角切割，鍍有對泵浦光的增透膜。
5.如權利要求1所述的基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，其特征是，上述的泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元由快響應光電二極管、頻譜分析儀和計算機構成，極少部分激光注入泵浦光復用腔的腔長匹配控制單元的快響應激光二極管，其測得的泵浦激光脈沖的重復頻率作為控制單元的參考信號。
6.如權利要求1所述的基于單塊鈮酸鋰晶體的高功率THz發(fā)生器，其特征是，上述的復用腔的腔長調節(jié)單元由長程機械導軌和微機控制的精密定位微位移平臺和背向反射鏡組件構成。
【文檔編號】H01S1/02GK103872555SQ201410120388
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權日:2014年3月27日
【發(fā)明者】柴路, 栗巖鋒, 李江, 朱偉岸, 王清月 申請人:天津大學